摘要：工程师们研究了贝壳的形状对它们出色的力学性能的影响。通过对大多数软体动物的外壳进行建模，工程师们了解了贝壳为何能够承受得住海底的巨大压力。这项研究目的在于了解驱使这些坚硬外壳进化的动力以及将其中的机械原理应用于汽车或建筑等人类活动中。

 

莱斯大学和印度科学院的科学家对扇形贝壳进行分析以研究其能承受巨大应力保护内部软体部位的原因。

版权：莱斯大学

印度科学研究院和莱斯大学的科学家们想弄清为什么虽然软体动物具有柔软的身体，但这些软体动物的外壳却如此坚硬，能保护它们在恶劣环境中不受伤害。

通过对大多数软体动物的外壳进行建模，科学家们了解了贝壳承受海底的巨大压力的机理。这项研究目的在于了解驱使软体动物进化出这种坚硬的外壳的原因以及是否能将其中的机理应用在汽车甚至是建筑等人类活动中。

该项目是由Chandra Sekhar Tiwary带领研究的，他是印度科学院的研究生，也是莱斯大学的访问学生。他创建了计算机模型，并用3D打印技术制备了两种不同类型的贝壳，他在这两种贝壳上施加应力并与他从印度沙滩上采集的真实贝壳进行了对比。

研究人员发现经过亿万年的演化，这些外壳不仅能有效地保护其内的动物身体，还能够将应力分散到软体动物不可能分散到的地方去。

这项研究成果在线发表在科学进展杂志上，该杂志是美国科学促进发展协会最新出版发行的。

贝壳由珍珠质组成的，珍珠质也是形成珍珠的要素。根据莱斯大学最新的建模结果发现，珍珠质是一种具有极高强度、刚性和韧性的无机物、有机物综合体。

Tiwary和同事从不同角度研究了贝壳在破坏即将发生时是如何保持稳定并将应力分散以减少损伤的。他们的计算表明贝壳的特殊形状使其承受的载荷要比单纯的珍珠质高将近两倍多。

他们分析了两种类型的软体动物：一种是具有两个单独的外壳并通过铰链相连的（比如蛤壳），另外一种为笋螺科（软体动物隐藏在其中）。在蛤壳这种情况下，壳上半圆形的弯筋能将应力分散到铰链处，而螺旋状的外壳能将应力直接分散到螺旋中心及上部变宽的部分。

他们发现这种进化结果对软体动物的伤害是最低的。

“自然总是会让物种的形状看起来很美，但是我们并不关心它们的形状，” Tiwary说到，他现在在莱斯大学材料科学家Pulickel Ajayan的实验室中工作，最初他是与印度科学院的首席科学家研究这一问题。

研究人员指出，工程师从自然界中存在的形状如喙或鲨鱼牙齿中寻找力学机理来设计保护罩、汽车防冲击配件以及建筑等。但是对他们来说，贝壳可代表处理不同载荷的最佳进化案例。

而生物学家、数学家及艺术家对贝壳研究也做出过贡献，但数学学家“并没有思考这些形状的复杂性，因为生成这些形状并不容易”， Tiwary说。但是快速发展的3D打印技术使得制备具有一定强度的材料成为可能。“3D打印能帮助实现很多想法。”他说。

研究人员采用聚合物材料，3D打印了一些扇形贝壳，其中有些贝壳缺少典型的弯肋。他们还模仿了形状简单的笋螺科贝壳。

他们发现缺少弯肋的贝壳不能有效地将载荷分散到基底部位，而是将应力分散到三角形外壳上。当真正破裂发生时，仿真贝壳与实际贝壳出现裂痕的位置比较接近。

而在更为复杂的笋螺科贝壳中，情况“完全不同”，他们在论文中写道。笋螺科贝壳最坚硬的核心所受冲击最为严重，应力从外壳上一直集中到最顶层的一环处。研究发现，一般来说笋螺科贝壳是这两种贝壳中最能保护内部脆弱结构的。

Tiwary说还有其他更为复杂的形状，甚至会比这些结构性能更好。

该篇论文的共同作者还有印度科学院的本科生Sharan Kishore，研究生Suman Sarkar，教授Debiprasad Roy Mahapatra，以及该科学院的材料工程系教授Chattopadhyay，还包括莱斯大学材料科学与纳米工程系的Ajayan教授、工程系的Benjamin M. 及化学系Mary Greenwood Anderson教授。

新材料在线编译整理——翻译：李湖燕      校正：摩天轮